Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

циклонних елементів меншого діаметра, які встановлені в одному корпусі і

працюють паралельно. Такі циклони називають батарейними, або

мультициклонами.

4.5. Теплові процеси

4.5.7. Теплопередача

Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до іншого,

необхідною і достатньою умовою для якого служить різниця температур між

цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти. За

одиницю кількості теплоти в системі СІ прийнято Джоуль.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями.

Речовину з вищою температурою, яка у процесі теплообміну віддає теплоту,

називають гарячим теплоносієм, а речовину з нижчою температурою, яка

сприймає теплоту, — холодним теплоносієм. Як гарячі теплоносії в

промисловості найчастіше використовують водяну пару, гарячу воду, нагріте

повітря, димові гази, ропу (розсіл), вугликислоту, аміак і фреони.

159

Є три способи перенесення теплоти: теплопровідність, конвекція і

випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії

безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвекцією називають процес поширення теплоти в результаті переміщення

і перемішування між собою частинок рідини або газу.

Випромінюванням називають процес передачі теплоти від одного тіла до

іншого поширенням електромагнітних хвиль у просторі між цими тілами.

Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердою стінкою (тілом) і

рідким (газоподібним) середовищем, що її омиває.

Теплопередачею називають процес теплообміну між двома середовищами,

розділеними твердою перегородкою.

Теплопровідність. Закон Фур'є. Основне рівняння перенесення теплоти

способом теплопровідності за законом Фур'є можна подати для

одновимірного потоку так:







(4.20)

Де



d/dQ

— швидкість перенесення теплоти або тепловий потік, тобто

кількість теплоти, яка передається протягом одиниці часу, Вт;

F — площа перерізу, перпендикулярна до напрямку теплового потоку,

;

dt/dx

— температурний градієнт, тобто зміна температури залежно від

відстані у напрямі осі

(напрям, зворотний потоку теплоти), °C/м;

Теплопровідність плоскої стінки. Розглянемо однорідну

стінку товщиною



(рис.4.21), коефіцієнт теплопровідності якої сталий і

дорівнює



.Температура змінюється лише у напрямі осі

, а ізотермічні поверхні розташовуються перпендикулярно до

цієї осі. На зовнішніх поверхнях підтримуються температури

Виділимо на відстані

шар завтовшки

, обмежений двома ізотермічними

поверхнями. Тоді на підставі закону Фур'є питомий тепловий потік

для

цього шару буде







або





В результаті інтегрування цього рівняння дістанемо

t 



160

Рис. 4.21. Схема теплопровідності

Сталу інтегрування С визначають з рівняння при

0x

tt 

Звідки



. Оскільки при



x



то







З цього рівняння визначають питомий тепловий потік

mtt

/Bm,t)(q













відношення



називають теплопровідністю стінки, а обернену

їй величину

R/ 



— тепловим або термічним опором стінки.

Термічний опір багатошарової стінки, тобто стінки з кількох різнорідних

шарів, дорівнює сумі термічних опорів окремих шарів

,...

RRR

nзаг



(4.22)

Конвективний теплообмін. У рідких середовищах і газах тепло переноситься

в основному за рахунок конвекції (переміщення) частинок, тому і процес

теплоти обміну між рідиною і стінкою на-

161

зивають конвективним теплообміном. Під час конвективного теплообміну

тепло передається від поверхні твердого тіла до рідини через пограничний

шар за рахунок теплопровідності, і від пограничного шару в масу (ядро)

рідини переважно конвекцією. На величину переданого теплоти дуже

впливає характер руху рідини.

За природою виникнення розрізняють два види руху рідини: вільний і

примусовий.

Вільний рух рідини або природна конвекція виникає внаслідок різниці густин

нагрітих і холодних частинок рідини, тобто під дією внутрішніх сил.

Примусовий рух рідини виникає під дією зовнішніх сил (насоса,

вентилятора).

При малих швидкостях руху утворюється струминний характер течії

(ламінарний режим), а при значних — невпорядковано-вихровий

(турбулентний) режим. Проте у пограничному шарі біля стінки каналу

ламінарний режим течії зберігається і для турбулентного режиму. У випадку

турбулентного руху рідини теплообмін відбувається значно інтенсивніше,

ніж при ламінарному.

Закон Ньютона. Основним законом конвективного теплообміну є закон

Ньютона, за яким кількість теплоти Q, що передана протягом одиниці часу

від теплообмінної поверхні навколишньому середовищу або, навпаки,

навколишнім середовищем теплообмінній поверхні, прямо пропорційна

поверхні теплообміну F і різниці температур між поверхнею стінки

і навколишнім середовищем t

,Bm),t(aFQ



(4.23)

де а — коефіцієнт тепловіддачі, що визначає інтенсивність процесу, Вт/(



°С).

Коефіцієнт тепловіддачі показує, яка кількість теплоти передається протягом

одиниці часу через одиницю теплообмінної поверхні при різниці між

температурами поверхні і навколишнього середовища (рідини або газу) 1°С.

Визначення коефіцієнта тепловіддачі пов'язане із значними труднощами,

оскільки він залежить від багатьох факторів: режиму і швидкості руху

рідини, фізичних параметрів рідини, форми і розмірів теплообмінної

поверхні. Тому, вивчаючи теплообмін, основну увагу приділяють

визначенню коефіцієнта тепловіддачі.

Тепловіддача при вимушеній конвекції. Інтенсивність тепловіддачі при

вимушеному русі залежить від характеру самого руху. У випадку

розвиненого турбулентного руху в трубах і кана-

162

лах {Re > 10 000) розрахункове критеріальне рівняння для визначення

коефіцієнта тепловіддачі має вигляд

,(Pr/

)

PrPr

250

430

0,8

0,021Nu 

(4,24)

Для критеріїв Nu, Re і Рг за визначальну температуру зазвичай

беруть середню температуру рідини, а для критерію -

- температуру

стінки. За лінійні розміри в критеріях Nu і ке оеруть внутрішній діаметр

труби або еквівалентний діаметр каналу. Вплив напряму теплового потоку

враховується відношенням

Pr/

Тепловіддача при вільній конвекції. Загальна формула для обчислення

середнього коефіцієнта тепловіддачі при визначальній температурі, яка

дорівнює середній температурі пограничного шару

)t(,

cmn

 50

де t — температура теплоносія в ядрі, має вигляд

.PrGr(CNu

)



4.5.2. Тепловіддача при зміні агрегатного стану речовини

Тепловіддача при конденсації пари. Найбільш задовільною схемою процесу

конденсації пари є схема Нусельта, за якого на поверхню твердого тіла, яке

сприймає тепло від пари, відбувається плівкова конденсація у відсутності

краплинної. Плівка рідини, яка утворюється на поверхні твердого тіла,

чинить основний термічний опір поширенню теплоти від пари до твердого

тіла.

В результаті аналізу і узагальнення дослідних даних одержана така

критеріальна залежність для визначення коефіцієнта тепловіддачі у випадку

конденсації

,KuPrGa(CNu

)

,250



(4.25)

Де С — коефіцієнт, рівний 1,15 при конденсації на вертикальних поверхнях і

0,72 при конденсації на зовнішній поверхні окремої горизонтальної труби.

За визначальний розмір при конденсації пари на вертикальній стінці взято

висоту стінки, а при конденсації на горизонтальній трубі — діаметр труби. За

визначальну температуру взято середню температуру плівки конденсату, при

якій знаходять фізичні параметри, що входять в критерії рівняння (4.25).

Формула (4.25) справедлива, коли швидкість руху пари мала

)с/м( 10



. При значних швидкостях руху пари коефіцієнт теп-

163

ловіддачі збільшується, якщо потік зменшує товщину плівки конденсату або

зриває його. Якщо ж потік пари перешкоджає руху плівки конденсату,

товщина її зростає і коефіцієнт тепловіддачі зменшується.

Тепловіддача при кипінні рідини — дуже складний процес. Тому

запропоноване критеріальне рівняння для визначення коефіцієнта

тепловіддачі має наближений характер.

Для випадку кипіння у вертикальних трубах з природною циркуляцією

можна скористатися рівнянням

,PNu

,, 3060





(4,26)

Де







— критерій теплової напруги;



— густина пари,

м/кг

;

r — теплота пароутворення, Дж/кг;



—частота пароутворення, 1/с;





— відривний діаметр бульбашки, м;



— поверхневий натяг, Н/м;

—густина рідини,

м/кг

Рівняння (4.26) зводиться до розрахункової формули

,60



(4.27)

Де

— розрахунковий коефіцієнт, що залежить від

фізичних параметрів киплячої рідини.

Променистий теплообмін. Випромінювання властиве усім тілам, оскільки у

кожному тілі частина теплової енергії перетворюється на променисту.

Інтенсивність випромінювання залежить від температури тіла. Потрапивши

на інші тіла, промениста енергія частково поглинається тілом, знову

перетворюючись на теплову, частково відбивається і частково проходить

крізь тіло.

Коефіцієнт тепловіддачі випромінювання можна визначити формулою

K)











































/(Bm,

100



(4.28)

Де



— ступінь чорноти твердого тіла;

164

— температура поверхні тіла, °K

— температура оточуючого простору°K

Теплопередача. Процес передачі теплоти від гарячого теплоносія до

холодного через стінку, що їх розділяє, визначається сукупною дією

розглянених елементарних явищ.

Кількість теплоти яка передається, визначають за загальним піинянням

теплопередачі:

Bm,kFQ





де k — коефіцієнт теплопередачі, Вт/

-град:

F — поверхня теплообміну.

ср



- середня різниця температур між середовищами,°C

Коефіцієнт теплопередачі визначає кількість теплоти, яка передана через

одиницю поверхні протягом одиниці часу від одного середовища до іншого

при різниці температур між ними 1 °С. Він є підсумковим коефіцієнтом

швидкості теплового процесу при переході теплоти від ядра потоку першого

теплоносія до стінки (тепловіддачею), через стінку (теплопровідністю) і від

стінки до ядра потоку другого теплоносія (тепловіддачею).

Теплопередача через плоску стінку. Щоб вивести співвідношення, яке

зв'язувало б коефіцієнт теплопередачі з коефіцієнтами теплопровідності

тепловіддачі, розглянемо процес передачі теплоти через плоску стінку

товщиною



з коефіцієнтом теплопровідності



(рис. 4.22). З одного боку

стінки омиває теплоносій з температурою

з другого — з температурою

Температури поверхонь стінки

т1с

т2с

коефіцієнти тепловіддачі

165

При сталому процесі можна записати такі три рівняння:

);(q

tta



);(

mccm







).(q

tta

cm 2



З цих рівнянь можна дістати вирази для окремих температурних напорів:



cmcm







Додаючи ці рівняння, дістанемо повний температурний напір



















звідки

,/Bm),(k)(q

мtttt

2121











(4.30)

Отже, коефіцієнт теплопередачі дорівнює







/(Bm,





°C), (4.31)

Величину, обернену коефіцієнту теплопередачі, називають термічним

опором теплопередачі:

111







(4.32)

З цього рівняння випливає, що загальний термічний опір дорівнює сумі

окремих складових. Зазначимо, що коефіцієнти тепловіддачі мають

найбільше значення при плівковій конден-

166

сацїї —

)К/(Bm)...a



120007000

, при краплинній —

)К/(Bm(



...100)a

що значно перевищує значення

коефіцієнта тепловіддачі газів

)K/(Bm)...(a(



5010

та рідин

K)

/(Bm)...(a

3500100

4.5.3. Конструкції теплообмінників

Теплообмінні апарати можна класифікувати за призначенням (підігрівники,

охолоджувачі і т.д.), за числом ходів теплоносія, за схемами різного

поєднання прямотоку, протитечійності і перехресної течії.

Незважаючи на те, що теплообмінні апарати розрізняють за принципом дії,

будовою, типом теплоносіїв і призначенням, можна сформулювати ще й

основні вимоги теплового, гідродинамічного, експлуатаційного,

конструктивного і технічного характеру, які треба враховувати при виборі

типу, розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.

Основна вимога, з точки зору теплопередачі та гідродинаміки, є досягнення в

теплообміннику максимального коефіцієнта теплопередачі при мінімальному

гідравлічному опорі. Підвищення коефіцієнта теплопередачі дає можливість

зменшити габарити, вагу, вартість теплообмінників та витрати металу.

Зменшення гідравлічного опору апарата призводить до зниження витрат

енергії на прокачування теплоносіїв. Проте обидві ці вимоги звичайно

перебувають у взаємній суперечності. Тому, конструюючи теплообмінники,

доводиться шукати оптимальне розв'язання цієї суперечливості.

При виборі типу теплообмінного апарата і конструюванні його окремих

вузлів часто вирішальним фактором служать експлуатаційні вимоги:

а) мала забрудненість поверхні теплообміну, зручність очищення, огляду і

ремонту;

б) герметичність поверхні теплообміну, що дає можливість уникнути

змішування обох теплоносіїв;

в) надійність у роботі.

Конструктивні вимоги до теплообмінних апаратів:

а) надійна компенсація неоднакових температурних навантажень корпуса і

поводжень корпуса і поверхні теплообміну;

б) компактність, що визначає його масові і геометричні дані (компактність

характеризується відношенням поверхні тепло-

167

обміну F до об'єму теплообмінного апарата V); чим більше це відношення,

тим компактніший апарат).

в) загальна простота і технологічність конструкції теплообмінного апарата.

Кожухотрубні теплообмінники. Найпоширеніші в промисловості, дають

можливість створювати значні поверхні теплообміну в одному апараті,

прості у виготовленні і надійні в експлуатації.

На рис. 4.23 зображено вертикальний кожухотрубний однохо-довий

теплообмінник, що складається з корпусу 2, приварених до нього нерухомих

трубних решіток 3, пучка труб 4, кінці яких закріплені в трубних решітках

розвальцюванням або зварюванням. До трубних решіток прикріплені кришки

1. Один з теплоносіїв І рухається всередині труб, а другий II — у просторі

між кожухом і трубами (в міжтрубному просторі).

Через малу швидкість руху теплоносіїв одноходові теплообмінники мають

низькі коефіцієнти тепловіддачі. Щоб збільшити швидкість руху теплоносіїв,

застосовують багатоходові тепло-

168

обмінники (рис. 4.24), в яких пучок труб за допомогою поперечних

перегородок 1, встановлених у кришках, розділений на кілька секцій (ходів),

по яких теплоносій І проходить послідовно. Швидкість руху теплоносія II в

міжтрубному просторі підвищують, встановлюючи ряд сегментних

перегородок 2. З двох теплоносіїв, що рухаються в трубах і в міжтрубному

просторі, треба збільшувати швидкість руху в першу чергу того, в якого при

теплообміні вищий термічний опір.

Труби в трубних решітках розміщують переважно по периметру правильного

шестикутника (рис. 4.25, а). Для даного випадку, обчислюючи загальну

кількість п труб в теплообміннику, виходять з кількості труб а, розміщених

на стороні найбільшого шестикутника

,)a(an 113 

(4.33)

Кількість труб, розміщених по діагоналі найбільшого шестикутника,

знаходять за формулою

12  ab

, (4.34)

При закріплені труб у трубних решітках розвальцьовуванням крок t

розміщення труб вибирають залежно від їхнього зовнішнього діаметра в

межах

,),,(t

5131 

(4.35)

При закріплені труб зварюванням крок розміщення труо ви-

бирають меншим

),t(

251

Діаметр D теплообмінника визначають із співвідношення

)b(tD

41 

(4.36)

Іноді труби розміщують по периметрах квадратів (рис. 4.25, б) або по

концентричних колах (рис. 4.25, в).

При проектуванні кожухотрубних теплообмінників теплоносій, що

найбільше забруднює поверхню теплообміну, спрямовують у труби (трубний

простір), які легше очищати.

При різниці температур між кожухом і трубами понад 50 °С або при значній

довжині труб застосовують кожухотрубні теплообмінники з різними

компенсаторами температурних навантажень.

Двотрубні теплообмінники типу "труба в трубі". Теплообмінники цього типу

складаються з кількох послідовно з'єднаних елементів, утворених двома

концентрично розміщеними тру-

169

бами. Один теплоносій рухається у внутрішніх трубах, а другий — в

кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми трубами.

Заглибні теплообмінники звичайно виготовляють у вигляді змійовиків.

Змійовик занурений в рідину, яку нагрівають або охолоджують теплоносієм,

що рухається всередині змійовика. Коефіцієнт теплопередачі в цих

теплообмінниках порівняно низький, але через простоту виготовлення вони

набули значного поширення.

Зрошувальні теплообмінники складаються із змійовиків, зрошуваних ззовні

рідким теплоносієм (звичайно водою), і застосовуються переважно як